I/ Definition et exemples de biocarburants
Les biocarburants (ou agro-carburants) sont des combustibles issus de la biomasse, utilisés comme additifs ou substituants au pétrole. Dans le domaine de l’énergie, la biomasse désigne l’ensemble des matières organiques, d’origine végétale comme les céréales, les oléagineux, les algues, ou d’origine animale, telles que le lisier, qui peuvent servir de combustible après transformation.
Les biocarburants sont assimilés à une source d’énergie renouvelable, puisque la biomasse dont ils sont constitués, se régénère rapidement, contrairement au pétrole qui est une énergie fossile. Leur combustion ne produit que du gaz carbonique, de la vapeur d'eau et pas ou peu d'oxyde d’azote ou de souffre.
C’est à partir de 1970, avec la prise de conscience de la fin des énergies fossiles, que les hommes se sont intéressés à produire des substances pouvant remplacer le pétrole. Aujourd’hui, on distingue plusieurs types de biocarburants : les biocarburants de 1ère génération, qui sont les plus utilisés aujourd’hui, les biocarburants de 2ème génération et 3ème génération, en voie de développement.
1) Les biocarburants de 1ère génération
Les biocarburants actuels, dits de première génération, sont produits, pour la majorité, à partir de ressources agricoles. Il en existe plusieurs filières, celles des alcools, des huiles, et des gaz. Aujourd’hui, tous les biocarburants de 1ère génération sont exploités à échelle industrielle.
A) La filière des alcools
La filière des alcools est constituée de trois types de biocarburant, le bioéthanol, l’ETBE et le biobutanol.
Le bioéthanol est produit à partir de plantes sucrières, comme les betteraves sucrières et la canne à sucre, ou à partir de plantes riches en amidon comme les maïs, les blés ou la pomme de terre. Dans la fabrication du bioéthanol, le sucre des plantes sucrières sont extraits qui, par fermentation alcoolique des sucres (comme le glucose), grâce à l’action de la levure Saccharomyce, donne de l’éthanol et d’autres produits comme des alcools lourds et des isoprénoïdes. Le bioéthanol peut être aussi produit par des céréales, où l’amidon contenu est transformé en sucre par une hydrolyse, dont le but est de couper les longues chaînes d’amidon en sucre simple. La fermentation alcoolique est alors utilisée également pour aboutir à de l’éthanol. Voici l’équation bilan de l’hydrolyse de la cellulose en glucose :
C6H10O5 + H2O ---> C6+H12O5
L’ETBE (éthyl-tert-butyl-éther) est un composant dérivé de l’éthanol. Il est issu de l’éthanol généré par les sucres des ressources agricoles qui réagit avec l’isobutène, un produit créé pendant le raffinage du pétrole.
Enfin le biobutanol, appelé aussi alcool butylique, est obtenu par fermentation acétonobutylique des sucres grâce à la levure Clostridium.
Informations annexes :
Ce sont les betteraves sucrières et la canne à sucre qui sont les plus employées pour produire de l’éthanol. La canne à sucre est cultivée principalement en région tropicale. Sa teneur en saccharose est de 15 % et entre 2011 et 2012, plus de 1,7x10^9 tonnes en ont été cultivées.
La betterave est une espèce biannuelle cultivée sous nos latitudes, contenant environ 15 à 18 % de sucre stocké dans sa racine. On en produit 230 millions de tonnes par an et ce chiffre ne cesse d’augmenter depuis ces dernières années.
A partir de ces deux espèces, il est possible de produire entre 6 et 8 m3 de biocarburant par hectare.
La plupart des usines produisant du bioéthanol de 1ère génération sont situées à moins de 30 km du lieu de récolte. En effet, le sucre contenu dans les plantes diminue une fois la moisson terminée (100 grammes de sucre sont perdus par tonne de betteraves et par jour).
Titre : Observation microscopique de la levure Saccharomyces, responsable de la fermentation alcoolique des sucres
La levure Saccharomyces, divisée en de nombreuses espèces, est la levure la plus utilisée comme agent de fermentation. Elle est plus connue sous le nom de levure de boulanger car elle intervient également dans la fabrication du pain. C’est ce type de levure que nous allons prendre pour réaliser notre expérience.
Titre : Représentation en 3D du Saccharose
Le saccharose présent dans les betteraves et la canne à sucre est un sucre formé d’une molécule de glucose et une de fructose. Sa formule brute est C12H22O11.
Titre : Photographie de cannes à sucre et de betteraves
Titre : Observation microscopique de l’amidon de pomme de terre
L’amidon est composé d’un glucide complexe, formé de longues chaînes moléculaires de glucose, de formule C6H10O5. Il est stocké principalement dans les graines et les racines. C’est d’ailleurs la photosynthèse qui est responsable de cette production d’amidon.
La filière des alcools est destinée au moteur à essence. Les biocarburants créés y sont mélangés à l’essence sans plomb ou parfois utilisés totalement pur. Le type de bioéthanol et sa quantité diffèrent selon les pays et les moteurs. Par exemple, le bioéthanol est principalement utilisé aux Etats-Unis et au Brésil où il peut-être mélangé à 20%. En France et dans l’Union européenne, l’ETBE est ajouté dans l’essence à une proportion de 15%. Très récemment, un carburant, le Superéthanol E85 a été mis sur le marché européen, où l’éthanol peut être introduit jusqu’à une hauteur de 85%, en complément du Super 95. Cependant, cette technologie nécessite l’utilisation d’un moteur adéquat, comme les moteurs Flex-fuel conçus par l’entreprise Ford, pouvant supporter cette très haute dose d’éthanol. C’est le Brésil, en laçant le « programme alcool » dans les années 1970, qui est le leader de la production d’éthanol à partir de canne à sucre. A son apogée en 1997, les 13,7 milliards de litres de bioéthanol produits ont permis de faire rouler presque un quart de son parc automobile grâce à de l'éthanol pur.
Voici l’équation bilan de la fermentation alcoolique : C2H50H + 302 ---> 2C02 + 3 H20
B) La filière des huiles
La filière des huiles comporte deux voies : les huiles végétales brutes (HVB) ou le biodiésel.
Les HVB sont extraites à partir de végétaux oléagineux comme la fleur de tournesol, le colza, l’huile de palmier qui par compression produit de l’huile.
Le biodiésel, quant à lui, est issu également d’huiles végétales. Ces huiles végétales sont mélangées à froid à un alcool, soit de l’éthanol ou du méthanol, en présence d’un catalyseur, l’hydroxyde de sodium ou de potassium. Ce processus appelé "transestérification", abouti soit à un ester d'huile végétale méthylique (le EMHV, produit avec du méthanol) ou à un ester d’huile végétale éthylique (le EEHV, produit avec de l’éthanol). Voici l'équation bilan de la transestérifiaction par méthanol :
Informations annexes :
Titre : Photographie d’un champ de colza et de tournesol
Le colza et le tournesol sont des exemples de ressources agricoles impliquées dans les biocarburants de 1ère génération.
Le colza est cultivé à hauteur de 19 millions tonnes dans l’Union Européenne en 2012 (dont 63% consacré au biodiésel), 65 millions dans le monde. Il serait possible de produire, grâce au colza ou au tournesol, 1 à 3 m3 de biodiésel par hectare.
Titre : photo aérienne d'une usine de biodiesel
Voici à quoi ressemble une usine de production de biodiésel. Ce site industriel a été construit dans le département de l’Aube depuis 2005. Les 18 hectares de ce site convertissent 1,5 million de graines de colza, en 250 000 tonnes de biodiésel par an, soit environ 2.6 millions m3.
Cette filière est destinée uniquement au moteur diésel utilisant du gazole. Les HVB sont utilisées pures ou en mélange avec le gazole mais à cause de leur viscosité trop importante, les HVB nécessitent l’utilisation d’un moteur adapté. Les biodiesels, appelés également diester, peuvent être utilisés en mélange à hauteur de 30% dans du gazole. Il n’est pourtant distribué qu’à hauteur de 10% aujourd’hui en France par exemple.
C) La filière des gaz
La filière des gaz est composée du biogaz et du biométhane.
Le biogaz est créé à partir de matières organiques, telles que les boues des stations d’épuration, les effluents des industries agroalimentaires, les déchets ménagers ou comme le lisier d’élevage. Ces éléments subissent une fermentation anaérobie appelée méthanisation. Ils peuvent-être ensuite raffinés pour produire du biométhane pur. Cependant, cette filière n’est pas ou peu utilisée pour faire un carburant dans un moteur. Le biogaz sert plutôt de gaz de synthèse au gaz naturel consommé pour se chauffer.
Résumé :
Veuillez afficher la présentation Powerpoint qui résume la fabrication des biocarburants de première génération
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2) Les biocarburants de 2ème génération
Depuis une petite dizaine d’années, les scientifiques cherchent une nouvelle voie de création des biocarburants, au rendement plus important afin d’améliorer le bilan environnemental et énergétique. Ici, il ne s’agit plus d’exploiter des plantes issues de l’agriculture (céréales, betteraves, colza…..) mais d’exploiter des végétaux tels que des copeaux de bois, des miscanthus (arbres à croissance rapide), des saules ou des résidus agricoles comme la paille du blé et la tige de maïs. Des dizaines de projets expérimentaux et tests à taille industrielle voient le jour mais la production du biocarburant de 2ème génération à grande échelle n’est prévue qu’entre 2020 et 2030.
La différence entre les biocarburants de 1ère et 2ème génération est que ces derniers sont issus de plantes qui ne contiennent pas d’amidons ou de sucres simples mais sont constitués de lignocellulose. On qualifie alors ce genre de matière, de biomasse lignocellulosique car ils se présentent sous la forme de longues molécules de sucre (la cellulose et l’hémicellulose), difficile à extraire, et de lignine. Certaines de ces biomasses (la paille, tige de maïs) sont utilisées dans l’alimentation animale mais de très grandes quantités sont inutilisées ou jetées.
Il existe dans cette filière deux voies de production, la voie biochimique et thermochimique.
Informations annexes :
Titre : Photographie d’un Miscanthus x giganteus
Cette espèce de Miscanthus, appelée aussi « herbe éléphant » est originaire d’Asie. Il peut atteindre jusqu’à 4 mètres de hauteur. Ce Miscanthus pousse presque dans tous les types de climat et peut même être cultivé dans un sol aride ou pollué par des métaux. Sur un hectare, il pourrait produire entre 12 à 25 tonnes par an de matières utilisables dans le processus de fabrication des biocarburants.
Titre : Représentation de la biomasse lignocellulosique
La cellulose est la molécule constituant les parois cellulaires des végétaux.
L’hémicellulose est une molécule qui permet de relier les molécules de cellulose entre elles.
Enfin, la lignine est l’élément qui donne de la rigidité aux plantes.
Grossissement: ×200
Titre : Représentation en 3D de la cellulose (gauche) et observation d’une cellulose d’un mouchoir en papier au microscope (droite)
La cellulose est un glucide formé d’une chaîne de molécules de glucose à 6 carbones. Dans cette représentation, il n’y a que deux molécules de glucose, sachant qu’il peut y en avoir entre 15 et 15 000.
A) La voie biochimique
L’issue de cette voie aboutit à un bioéthanol de 2ème génération auquel on a rajouté plusieurs étapes par rapport aux bioéthanols de 1ère génération. Tout d’abord, la tige et les feuilles d’une biomasse lignocellulosique subissent un prétraitement physico-chimique dont le but est d’éclater les fibres végétales, afin d’en extraire la cellulose et/ou l’hémicellulose. Ensuite, ces chaînes de sucre subissent une hydrolyse enzymatique pour en récupérer les sucres simples qui, comme pour les bioéthanols de 1ère génération fermentent en obtenant de l’éthanol. Cette hydrolyse enzymatique est obtenue par l’action des enzymes du champignon microscopique Trichodermareesei.
Le bioéthanol créé est alors, comme pour son prédécesseur, utilisé tel quel ou en mélange dans de l’essence sans plomb, suivant les moteurs.
Titre : Observation à vue du champignon Trichoderma reesei sur boite de culture (gauche), et au microscope (droite)
C’est pendant la Seconde Guerre mondiale que Trichodermareesi, un champignon filamenteux, a été découvert. Les soldats avaient remarqué que leur uniforme en coton (composé de cellulose) se dégradait, à cause de l’action des enzymes de ce champignon. Aujourd’hui, ses facultés ont été dopées par des croisements génétiques pour améliorer leur efficacité en vue d’une exploitation industrielle.
B) La voie thermochimique
Dans cette voie, la transformation de chaque biomasse lignocellulosique, aboutissant à un hydrocarbure liquide est appelée Biomass To Liquid (BtL). Elle est transformée d’abord en gaz de synthèse (dit syngas) qui est obtenu après gazéification de la lignocellulose à une température de 1000°C et à forte pression (4 bar). Ce syngas contient un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone qu’il est nécessaire de purifier (produits hautement toxiques pour l’homme). Il est alors ensuite converti en hydrocarbure liquide grâce à la synthèse catalytique Fisher-Tropsch.
L’hydrocarbure produit est enfin mélangé au gazole ou utilisé pur lorsque le moteur est adapté.
Voici l’équation bilan de la synthèse catalytique fisher tropsch : (2n+1)H2+n CO ---> CnH2n+2 + n H2O
Résumé :
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3) Les biocarburants de 3ème génération
Des recherches sont déjà en cours pour créer un biocarburant de 3ème génération, dans l’optique d’améliorer encore plus les rendements des anciennes générations.
Il s’agit d’exploiter des cultures de microalgues de façon intensive dans des photobioréacteurs fermés, ou de façon extensive dans des bassins extérieurs. Différentes espèces de microalgues existent, choisies en fonction de leur rendement.
Certaines produisent de très grande quantité d’acide gras, qui est transformée soit en ester d’huile d’algues (biodiésel) par transestérification ou soit en hydrocarbure après hydrogénation de l’huile.
D’autres algues microscopiques sont choisies en fonction de leur production importante de sucre qui est converti en bioéthanol. En effet, au cours de la photosynthèse, la biomasse utilise l’énergie lumineuse pour capter le dioxyde de carbone (CO2) et produire de la matière organique dont des amidons et des glucides. L’avantage des microalgues est que le rendement de la photosynthèse est beaucoup plus élevé que pour les plantes oléifères et sucrières. Ainsi, les plantes grandissent très vite et peuvent fournir des glucides ou des acides gras rapidement.
Voici l’équation chimique de la photosynthèse :
6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse ---> C6H12O6 + 6 O2
Titre : Tableau montrant le taux de croissance de diverses espèces de microalgues et cyanobactéries ainsi que le temps de doublement correspondant
D’après ce tableau, nous pouvons voir que certaines espèces sont une à deux fois et demie plus grandes et nombreuses par jour (comme l’algue Navicula Muralis, Thalassiosira pseudonana), un taux beaucoup plus important que pour les plantes terrestres par exemple.
Ainsi, les microalgues seraient 30 à 100 fois plus efficaces que les plantes oléagineuses terrestres.
Aujourd’hui, les scientifiques connaissent 30 000 espèces de microalgues dont une vingtaine est étudiée pour leur forte production de lipides et de glucides. Pourtant, on estime entre 200 000 à 1 million le nombre d’espèce non-découverte dans les océans.
A) Voie intensive
Titre : Observation au microscope de différentes espèces de microlagues
Échelle : 1.5cm pour 50 microns
Les microalgues sont des organismes principalement unicellulaires (composés d’une seule cellule) dont la taille varie entre 1 à 100 micromètres, vivant en eau douce ou salé. On distingue 6 catégories de micoalgues : les Chlorophytes, de couleur verte qui produisent une grande quantité d’amidon, les Chromophytes, de couleur brun et jaune, les Pyrrophytes et les Euglénophytes, bleus et verts, les Cyanophytes, noires, et enfin les Rhodophytes, rouges.
Les microalgues sont responsables de 40% de la photosynthèse sur terre.
Ici, les algues microscopiques sont élevées dans des photobioréacteurs. On cherche à placer les microalgues dans ce confinement avec de l’eau, où les chercheurs peuvent contrôler facilement des paramètres comme l’intensité de la lumière captée par les algues, le taux de CO2 ou d’azote. Ainsi, dans des conditions particulières, (comme en état de stress avec très peu d’azote et beaucoup de lumière et de CO2), les algues observent une croissance très rapide et une absorption du carbone sous forme de lipides (jusqu’à 50% de la masse de l’algue). Cette grande quantité d’acide gras est alors facilement récupérable pour en faire du biodiésel ou des hydrocarbures. D’après les recherches en cours, les algues pourraient produire de 10 à 30 fois plus d’huile sur un hectare que pour des plantes oléagineuses terrestres.
Titre : Photographies de photobioréacteurs fermés
Cette image montre des photobioréacteurs mis au point par l’université de Valence (France) et d’Alicante (Sud-est de l’Espagne). Ce système nommé Bio Fuel Systems (BFS) produirait sur un hectare, un équivalent de 5500 barils de fuel (874 m3). De plus, grâce à la photosynthèse, les algues absorberaient 12 000 tonnes de CO2 par an
B) Voie extensive
Dans la voie extensive, les microalgues sont placées dans des bioréacteurs ouverts, de grands bassins en extérieur, agités par des roues à aube permettant de reproduire le mouvement des vagues. Ainsi, ce mouvement permet aux microlagues de bouger et de remonter en surface pour capter de la lumière. Ce processus est beaucoup plus simple et moins couteux que la voie intensive, mais le rendement est aussi moins important : 3 à 5 fois moins important qu'avec des espèces agricoles.
Titre : Vue aérienne d’une usine de biocarburant de troisième génération
Voici à quoi pourrait ressembler les futures usines de biocarburants de troisième génération. Il s’agit d’un site test de production situé à Fellsmere en Floride aux Etats-Unis, exploité par la compagnie Petroalgua. Ces bassins couvrent 7,3 hectares produisant du biodiésel.
Résumé :
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